Реферат по теме

«Исследования в области плазмы и термоядерного синтеза»

Студента группы Д6-01

Белкина Андрея

Москва 2004г.

Что такое плазма

Словом "плазма" (от греч. "плазма" -- "оформленное") в середине XIX в. стали именовать бесцветную часть крови (без красных и белых телец) и жидкость, наполняющую живые клетки. В 1929 г. американские физики Ирвинг Ленгмюр (1881 --1957) и Леви Тонкс (1897 -- 1971) назвали плазмой ионизованный газ в газоразрядной трубке.

Английский физик Уильям Крукс (1832 -- 1919), изучавший электрический разряд в трубках с разрежённым воздухом, писал: "Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвёртом состоянии".

В зависимости от температуры любое вещество изменяет своё состояние. Так, вода при отрицательных (по Цельсию) температурах находится в твёрдом состоянии, в интервале от 0 до 100°С -- в жидком, выше 100°С -- в газообразном. Если температура продолжает расти, атомы и молекулы начинают терять свои электроны -- ионизуются и газ превращается в плазму. При температурах более 1000000°С плазма абсолютно ионизована -- она состоит только из электронов и положительных ионов. Плазма -- наиболее распространённое состояние вещества в природе, на неё приходится около 99 % массы Вселенной. Солнце, большинство звёзд, туманности -- это полностью ионизованная плазма. Внешняя часть земной атмосферы (ионосфера) тоже плазма.

Ещё выше располагаются радиационные пояса, содержащие плазму. Полярные сияния, молнии, в том числе шаровые, -- всё это различные виды плазмы, наблюдать которые можно в естественных условиях на Земле. И лишь ничтожную часть Вселенной составляет вещество в твёрдом состоянии -- планеты, астероиды и пылевые туманности.

Как используют плазму

Наиболее широко плазма применяется в светотехнике -- в газоразрядных лампах, освещающих улицы, и лампах дневного света, используемых в помещениях. Кроме того, в самых разных газоразрядных приборах: выпрямителях электрического тока, стабилизаторах напряжения, плазменных усилителях и генераторах сверхвысоких частот (СВЧ), счётчиках космических частиц.

Все так называемые газовые лазеры (гелий-неоновый, криптоновый, на диоксиде углерода и т. п.) на самом деле плазменные: газовые смеси в них ионизованы электрическим разрядом.

Свойствами, характерными для плазмы, обладают электроны проводимости в металле (ионы, жёстко закреплённые в кристаллической решётке, нейтрализуют их заряды), совокупность свободных электронов и подвижных "дырок" (вакансий) в полупроводниках. Поэтому такие системы называют плазмой твёрдых тел.

Газовую плазму принято разделять на низкотемпературную -- до 100 тыс. градусов и высокотемпературную -- до 100 млн. градусов. Существуют генераторы низкотемпературной плазмы -- плазмотроны, в которых используется электрическая дуга. С помощью плазмотрона можно нагреть почти любой газ до 7000 -- 10 000 градусов за сотые и тысячные доли секунды. С созданием плазмотрона возникла новая область науки -- плазменная химия: многие химические реакции ускоряются или идут только в плазменной струе. Плазмотроны применяются и в горнорудной промышленности, и для резки металлов.

Созданы также плазменные двигатели, магнитогидродинамические электростанции. Разрабатываются различные схемы плазменного ускорения заряженных частиц. Центральной задачей физики плазмы является проблема управляемого термоядерного синтеза.

Управляемые термоядерные реакции

Считается, что запасов химического топлива человечеству хватит на несколько десятков лет. Ограниченны и разведанные запасы ядерного горючего. Спасти человечество от энергетического голода и стать практически неисчерпаемым источником энергии могут управляемые термоядерные реакции в плазме.

В 1 л обычной воды содержится 0,15 мл воды тяжёлой (D2O). При слиянии ядер дейтерия из 0,15 мл D2O выделяется столько же энергии, сколько её образуется при сгорании 300 л бензина. Тритий в природе практически не существует, однако его можно получить, бомбардируя нейтронами п изотоп лития:

n+7Li => 4He+T

Ядро атома водорода не что иное, как протон р. В ядре дейтерия содержится, кроме того, ещё один нейтрон, а в ядре трития -- два нейтрона. Дейтерий и тритий могут реагировать друг с другом десятью разными способами. Но вероятности таких реакций различаются порой в сотни триллионов раз, а количество выделяющейся энергии -- в 10--15 раз. Практический интерес представляют только три из них:

D + D => T + p + 4 МэВ;

D + D => 3Не + n + 3,3 МэВ;

D + Т => 4Не + n + 17,6 МэВ.

Если все ядра в каком-то объёме одновременно вступают в реакцию, энергия выделяется мгновенно. Происходит термоядерный взрыв. В реакторе же реакция синтеза должна протекать медленно.

Осуществить управляемый термоядерный синтез до сих пор не удалось, а преимущества он сулит немалые. Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях на единицу массы топлива, в миллионы раз превышает энергию химического топлива и, значит, в сотни раз дешевле. В термоядерной энергетике нет выброса продуктов сгорания в атмосферу и радиоактивных отходов. Наконец, на термоядерной электростанции исключён взрыв.

Во время синтеза основная часть энергии (более 75 %) выделяется в виде кинетической энергии нейтронов или протонов. Если замедлить нейтроны в подходящем веществе, оно нагревается; полученную теплоту легко превратить в электрическую энергию. Кинетическая энергия заряженных частиц -- протонов -- преобразуется в электричество непосредственно.

В реакции синтеза ядра должны соединяться, но они заряжены положительно и, следовательно, по закону Кулона, отталкиваются. Чтобы преодолеть силы отталкивания, даже ядрам дейтерия и трития, имеющим наименьший заряд (Z = 1), необходима энергия около 10 или 100 кэВ. Ей соответствует температура порядка 108 - 109 К. При таких температурах любое вещество находится в состоянии высокотемпературной плазмы.

С позиций классической физики реакция синтеза невозможна, но здесь на помощь приходит чисто квантовый туннельный эффект (квантово-механическое явление, при котором частица, не обладающая достаточной энергией для преодоления потенциального барьера сил отталкивания, всё же с отличной от нуля вероятностью преодолевает его). Вычислено, что температура зажигания, начиная с которой выделение энергии превосходит её потери, для реакции дейтерий--тритий (DT) равна приблизительно 4,5 * 107К, а для реакций дейтерий--дейтерий (DD) -- около 4 * 107К. Естественно, предпочтительнее реакция DT. Нагревают плазму электрическим током, лазерным излучением, электромагнитными волнами и другими способами. Но важна не только высокая температура.

Чем выше концентрация, тем чаще сталкиваются друг с другом частицы, поэтому может показаться, что для осуществления термоядерных реакций лучше использовать плазму высокой плотности. Однако, если бы в 1 см3 плазмы содержалось 1019 частиц (концентрация молекул в газе при нормальных условиях), давление в ней при температурах термоядерных реакций достигало бы порядка 106 атм. Такого давления не выдерживает ни одна конструкция, а потому плазма должна быть разрежённой (с концентрацией около 1015 частиц в 1 см3). Соударения частиц в этом случае происходят реже, и для поддержания реакции необходимо увеличивать время пребывания их в реакторе, или время удержания. Значит, для осуществления термоядерной реакции необходимо рассматривать произведение концентрации частиц плазмы на время их удержания. Для реакций DD это произведение (так называемый критерий Лоусона) равно 1016 с/см3, а для реакции DT -- 1014 с/см3. Следовательно, реакцию DT реализовать легче, чем DD.

Когда начинались исследования плазмы, казалось, что осуществить управляемый синтез удастся быстро. Но со временем выяснилось, что в высокотемпературной плазме происходят сложные процессы и решающую роль играют многочисленные неустойчивости. Сегодня разрабатывается несколько типов устройств, в которых предполагается провести термоядерный синтез.

Наиболее перспективными считаются токамаки (сокращение от "ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками"). Токамак представляет собой гигантский трансформатор, первичная катушка которого намотана на сердечник, а вторичная имеет единственный виток -- вакуумную камеру в форме бублика, тора (от лат. torus -- "выпуклость"), с плазменным шнуром внутри. Система магнитов удерживает шнур в центре камеры, а ток силой в тысячи ампер нагревает его до требуемой температуры. Нейтроны, образующиеся в ходе термоядерной реакции, поглощаются в бланкете -- слое вещества, окружающем камеру. Выделяющееся при этом тепло можно использовать для получения электроэнергии.

Несмотря на кажущуюся простоту токамака, ни одно устройство подобного типа не дало положительного выхода энергии. Большие надежды возлагаются на проектируемый в настоящее время гигантский токамак ITER. На этой установке, если она будет сооружена к 2005 г., предполагаемая мощность выхода 1,5 * 109 Вт. Среди других проектов следует отметить два: стеллараторы и устройства инерциального удержания плазмы.

Магнитное поле сложной формы, удерживающее плазму в круговой камере токамака, противодействует собственному полю плазменного шнура, которое стремится изогнуть траекторию заряженных частиц плазмы. В стеллараторе (от лат. Stella -- "звезда") плазме позволили принять форму, какую она "хочет", и оставили только поле, сжимающее шнур. Вакуумная камера приобрела весьма причудливый вид, а множество магнитных катушек -- довольно сложную форму. Эксперименты на стеллараторах идут в разных странах, но добиться нужной температуры и времени удержания плазмы пока не удалось.

Принципиально иным является метод инерциального удержания плазмы, основанный на инерции реакционной смеси, которая при мгновенном нагреве (например, лазерным импульсом) разлетается не сразу. Ампулу, где находится смесь дейтерия с тритием, облучают со всех сторон лазерными импульсами длительностью до 10-10 с и суммарной мощностью порядка 1020 Вт/см2. Оболочка ампулы испаряется, расширяющиеся газы и световое давление сжимают её содержимое почти в 50 тыс. раз. Давление в смеси возрастает до 1 млн. атм, а её плотность -- до 50--100 г/см3. При таких условиях начинается термоядерная реакция.

Но и на этом пути имеется ряд технологических трудностей, пока не позволяющих превратить экспериментальные лазерные установки в промышленные реакторы.

Токомаки (Токомак - электростанция будущего, которая должна реализовать идею получения энергии с помощью термоядерного синтеза. Это процесс, аналогичный процессам, идущим на Солнце. Над созданием таких установок работает уже второе поколение российских ученых, и сегодня они, как никогда, близки к успеху. Сюжет предваряется научным прогнозом на ХХI век

Ученые и инженеры из Канады, Европы, Японии, и России объединились в беспрецедентном международном сотрудничестве для того, что бы получить реакцию управляемого термоядерного синтеза в реакторе ITER.

МИССИЯ ITER в том, чтобы продемонстрировать научную и технологическую возможность использования энергии синтеза для мирных целей. ITER покажет небольшой выход энергии, продемонстрирует энергетические технологии для получения реакции синтеза в системе, собирающей в себе самую передовую физику и технологию, а также в нем будут испытаны все ключевые элементы требуюшиеся для того, чтобы использовать реакцию синтеза как практический энергетический источник.

ITER будет первым реактором синтеза, который будет производить тепловую энергию на уровне промышленной электростанции. Это поможет сделать следующий шаг в продвижении исследований термоядерного синтеза и необходимых технологий, этот шаг - строительство настоящей электрической термоядерной станции.

ITER - экспериментальный реактор синтеза, основанный на геометрии "tokamak". Тороидальная геометрия камеры синтеза обеспечивает получение и поддерживание условий для управляемых реакций термоядерного синтеза. Вообщем установка ITER включает в себя tokamak, вспомогательные устройства, и средства обеспечения.

В ITER, сверхпроводящие магнитные катушки расположенные вокруг тороидальной камеры удерживают и управляют плазменым шнуром, и порождают электрический ток через плазму. Реакция синтеза происходит тогда, когда плазма достаточно нагрелась, имеет необходимую плотность, и заряженые частицы удерживаются близко друг от друга достаточное время.

Геометрия токамака была разработана в России, и теперь отечественный опыт широко используеться во всем мире.

Чтобы достигнуть достаточно длительного времени удержания плазмы, токамак должен быть примерно в раза два больше, чем любая существующая на сегодняшний день установка. Данное увеличение размеров, а также физика и составляет главную проблему всего проекта ITER.

Член европейской комиссии Бюскен приветствует возвращение США в проект ИТЕР.

Член Европейской Комиссии, курирующий научные исследования, Филипп Бюскен приветствовал заявление Президента США Джорджа Буша и Министра энергетики США Спенсера Абрахама, что США присоединятся к переговорам о строительстве и эксплуатации Международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЕР). Партнерами по проекту ИТЕР являются Европейский Союз, Япония, Россия, Канада, а теперь и Соединенные Штаты. Общая сумма в 750 миллионов евро, составляющая наибольшую часть бюджета в 1,250 миллиарда евро Рамочной Программы Евроатома ЕС на 2003-2006 годы, будет направлена на финансирование исследований термоядерного синтеза. Программа должна создать условия для начала в ближайшие несколько лет строительства ИТЕР. Общая стоимость строительства и эксплуатации предположительно составит 10 миллиардов евро в течение 30 лет.

«Я очень рад решению американского правительства вернуться в проект», - сказал член Европейской Комиссии Бюскен. «США обладают признанным опытом в области термоядерного синтеза, а также большими промышленными и технологическими возможностями. Объединившись с опытом и ресурсами Европы и других международных партнеров, участие США внесет значительный вклад в успех ИТЕР, а также поможет распределить затраты на проект. Европа готова приветствовать представителей США на переговорах по проекту ИТЕР. Они приглашаются работать со всеми партнерами с целью успешной реализации этого важного проекта, направленного на разработку устойчивого источника энергии на благо человечества».

Назад в будущее

США уже внесли значительный вклад в проект ИТЕР на более ранних стадиях проекта, в котором они участвовали до 1999 года. Вместе с сегодняшними международными партнерами: Канадой, Японией и Российской Федерацией, Европа с интересом следила за обширным анализом и переоценкой, проведенными научным сообществом США. Это привело к тому, что США вновь подтвердили свою заинтересованность в задачах проекта ИТЕР, а именно продемонстрировать научную и техническую обоснованность термоядерной энергии в мирных целях. Сразу после заявки Китайской Народной Республики также принять участие в переговорах, решение США вновь присоединиться к проекту ИТЕР повышает шансы достичь конечную цель проекта и укрепляет уверенность в потенциале энергии синтеза.

История вопроса: что такое проект ИТЕР?

ИТЕР является международным проектом по исследованиям и развитию термоядерной энергии с целью сделать еще один важный шаг в развитии термоядерной энергии как безопасного, чистого и устойчивого источника энергии. Синтез является энергией, которая питает солнце и звезды. Исследования синтеза проводятся с 1950-х годов, и недавние достижения повысили интерес к технологии.

Международное сотрудничество по проекту ИТЕР было начато в 1987 году. Проектирование ИТЕР и строительство основных компонентов прототипа были завершены в 2001 году. Переговоры начались в ноябре 2001 года по вопросам совместной реализации проекта: место строительства, распределение обязательств по затратам и закупкам, управление и эксплуатация. В настоящее время участниками переговоров являются Канада, Европейский Союз, Япония, Российская Федерация и США. КНР также подала заявку на участие в переговорах.

На строительство в течение 10 лет Международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЕР) выделяется приблизительно 4,6 миллиардов евро, и на его эксплуатацию в течение 20 лет выделяется приблизительно такая же сумма. Общие затраты на строительство и эксплуатацию должны, таким образом, составить около 10 миллиардов евро в течение 30 лет

В Европейском Союзе для строительства были предложены площадки в Кадараш, Франция, и Ванделлос, Испания. Канада и Япония также предложили возможные площадки для ИТЕР.

Разработан источник плазмы высокой плотности на основе высокочастотного индукционного плазменного разряда, в литературе описываемого как "Трансформаторно - связанная плазма" (ТСР). Источник плазмы располагается на отдельном фланце. Для равномерной обработки подложек диаметром 150 мм требуется излучатель ВЧ-мощности (далее антенна) диаметром менее 220 мм. На этом же фланце монтируется специальное согласующее устройство, к которому подключается ВЧ-генератор с частотой 13,56 МГц мощностью от 500 Вт и более. Излучатель находится напротив обрабатываемой подложки и имеет вид плоского диска толщиной порядка 50 мм на коаксиальном герметичном подводе ВЧ-мощности.

Источник плазмы создает плазму очень высокой концентрации (до 10e+12 электронов на см3 и более при давлении аргона порядка 0,5 Ра) на расстоянии 50 - 120 мм от плоскости антенны источника плазмы высокой плотности. Без подачи потенциала на подложкодержатель потенциал плазмы составляет всего несколько вольт относительно "Земли", энергию ионов, падающих на поверхность подложкодержателя задает потенциал, возникающий между подложкодержателем и плазмой при подаче на него ВЧ или НЧ мощности. Плотность ионного тока определяет концентрация плазмы, которая линейно зависит от ВЧ-мощности, подводимой к антенне.

Данное устройство было внедрено на заводе "Ангстрем" на промышленной двухкамерной установке плазмохимического травления JIR-260 для травления слоев двуокиси кремния. Скорость травления по термической двуокиси кремния на диаметре пластины 150 мм. составила 0,4 мкм /мин. при давлении порядка 0,1 Ра. и равномерности на пластине не хуже ± 1%. Селективность по поликремнию относительно термической двуокиси кремния составляет 1 к 5. При этом мощность обоих генераторов - и того, что подключен к излучателю источника плазмы, и того, что подключен к подложкодержателю, не превышала 300 Вт. В рассматриваемом случае источником потенциала подложки служил штатный генератор установки (500 Вт, 13,56 МГц.) в паре со штатным согласующим устройством. Источником смещения подложки может служить и любой другой генератор с частотой от 50 КГц. и выше.

- Установки такого типа под названием "Эра-3М" внедрены на производстве для травления полупроводниковых лазеров и светодиодов, обеспечивают хорошую воспроизводимость процессов травления гетероструктур и низкий уровень радиационных повреждений поверхности арсенида галлия.

- При травлении монокристаллического кремния на модернизированной установке "Эра-3М" скорость травления при давлении элегаза 0,5 Ра составила 3 мкм/мин.

- На установке "Эра-3М" проводилось травление слоев окиси индия-олова толщиной порядка 0,2 мкм на стеклянных заготовках через фоторезистивную маску. Время травления в аргоне составило не более 5 минут. Размер подложек 127*127 мм.

- Установка с ручным шлюзовым устройством на основе источника плазмы высокой плотности внедрена для ионного травления материалов типа КРТ, где показала втрое большую скорость и хороший профиль травления по сравнению с ионно-лучевым травлением при использовании сеточного ионного источника типа Кауфмана. Травление проводилось в среде аргона, время травления на глубину 12 мкм около 25 минут через маску позитивного фоторезиста. Для подачи смещения на подложку использовался генератор низкой частоты (50 КГц) оригинальной разработки со специальной формой выходного сигнала.

- Проведена технологическая работа по получению сверхмалых размеров в диэлектрических пленках с помощью электроннолучевой литографии высокого разрешения и последующего травления на установке "Эра-3М" во фторсодержащей плазме. Ширина полученной "канавки" составила 0,1 мкм при толщине диэлектрика (нитрид кремния, двуокись кремния) 0,25 мкм. При этом низкая энергия ионов, бомбардирующих подложку (не более 120 - 150 е.V.), позволяет получать низкий уровень радиационных повреждений материала подложки (арсенида галлия).

- Получены хорошие результаты по травлению алюминия с субмикронными размерами (0,5 мкм.) и вертикальной стенкой на пластинах из арсенида галлия через фоторезистивную маску. Особенности устройства позволяют проводить процесс травления алюминия с различными, в том числе и малыми, скоростями. Это, в свою очередь, позволяет снизить тепловые нагрузки на фоторезистивную маску и получать рисунки с лучшим разрешением на подложках с низкой теплопроводностью.

- Установка "Эра-3М" была использована для травления пьезокварца на глубину до 250 мкм (задачи микромеханики). Скорость травления через металлическую маску толщиной 3 мкм достигала 1 мкм/мин.

Имеется техническое заключение по испытаниям " источника плазмы высокой плотности " типа ТСР на промышленной двухкамерной установке плазмохимического травления JIR-260 от ОАО "АНГСТРЕМ" и акты внедрения установок на основе ТСР разряда на заводах "Сапфир" и НИИ "Полюс".

Когда-то управляемый термоядерный синтез был частой темой научно-популярных журналов. Затем о нем практически забыли. Но достижения последних месяцев могут снова привлечь внимание публики к нему.

Напомним, что при термоядерной реакции ядра изотопов более легких элементов сливаются, образуя ядра более тяжелых элементов. При этом выделяется значительная энергия. Именно термоядерный синтез является источником энергии нашего светила.

Для осуществления управляемого термоядерного синтеза необходимо нагреть вещество (как правило, это изотопы водорода - дейтерий и тритий) до сотен миллионов градусов и сжать его до огромной плотности. При этом вещество переходит в состояние плазмы, когда электроны отрываются от ядер, и образуется ионизированная смесь частиц. Эту плазму необходимо удержать с тем, чтобы реакция продолжалась, а плазма не соприкасалась со стенками аппарата, внутри которого она находится. Не вдаваясь в детали можно сказать, что проблема управляемого термоядерного синтеза упирается в три главных вопроса: нагрев, достижение сверхплотности и удержание плазмы. В свое время для этого были предложены два основных типа установок: стационарные и импульсные. В первых (самым известным представителем которых является, пожалуй, ТОКАМАК, предложенный советскими академиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом) магнитные поля удерживают плазму. Во вторых мощные лазеры обстреливают крошечную изотопную мишень, нагревая ее и сдавливая для достижения нужной плотности.

На заре борьбы за управляемый термояд ученым казалось, что стоит немного поднатужиться, и в многочисленных термоядерных электростанциях загорится маленькое Солнце. Оно-то и должно было дать всем землянам неограниченную энергию. Однако оказалось, что путь к термоядерному энергетическому изобилию довольно тернист и долог.

В начале основные надежды возлагались на ТОКАМАКов. В мире было построено несколько установок. Первое время царила определенная эйфория по поводу их возможностей. Затем наступил "застой" - долгое время не было сколько-нибудь существенного прогресса, так как не удавалось решить проблемы, касающиеся, например, длительного удержания плазмы.

И вот в середине лета исследователи из Национального термоядерного центра США в Сан-Диего добились "существенного успеха". Им удалось значительно повысить стабильность и давление плазмы. Проблема, над которой бились ученые, состояла в том, что легко удавалось раскрутить плазму внутри тора ТОКАМАКа. Однако вскоре плазма замедлялась и теряла стабильность. Изучив детали поведения плазмы, физики обнаружили, что она усиливала "неровности" магнитного поля. Они установили датчики, регистрирующие эти "неровности", "выравнивая" их с помощью дополнительных магнитов. По словам участника проекта Рональда Стамбога, "все это требует минимальной энергии, так как "неровности" крайне малы". В результате, движение плазмы стало устойчивым, что дало возможность удвоить давление в ней. Это, в свою очередь, привело к учетверению степени слияния ядер дейтерия.

Многие специалисты считают, что это достижение - большой шаг на пути к созданию промышленной модели термоядерного реактора. Правда, он должен быть в восемь раз крупнее данной экспериментальной установки. Но есть надежда, что можно будет применить те же физические принципы.

Между тем как исследования на ТОКАМАКах отошли в последние годы в тень, основное внимание было сосредоточено на работах с импульсными установками. Здесь тоже были свои проблемы, связанные с достижением нужной температуры и плотности дейтериевой мишени.

Физики из Университета японского города Осака и британской Лаборатории им. Резерфорда применили недавно совершенно новый подход к "розжигу" термоядерной мишени. Они позволили сверхохлажденному дейтерию стечь по золотому миллиметровому конусу. Образовавшуюся "каплю" они обстреливали девятью лазерными пучками, мгновенно подняв температуру мишени до 10 миллионов градусов, а давление на ее поверхности - до 10 миллионов атмосфер.

Однако этого мало для начала ядерного синтеза. Необходим существенный толчок. Его дает дополнительный сверхинтенсивный лазерный импульс. Правда, он направлен не только на внешнюю поверхность мишени, но и вовнутрь нее. Для этого и служит конус, по которому луч проникает внутрь мишени. Ее "подрыв" изнутри еще больше поднимает температуру и плотность. Таким образом удается решить проблему стабильности плазмы и создать условия для начала термоядерного синтеза. Ученые намерены использовать более мощные лазеры для существенного увеличения температуры и плотности мишени.

Есть и другой, "экзотический" и мало кем признанный путь к термоядерному синтезу - так называемый холодный ядерный синтез. Его сторонники, осуществляющие свои эксперименты практически в подполье, утверждают, что в ходе электролиза тяжелой воды с помощью электродов из палладия ядра дейтерия могут сливаться, образовывая изотопы трития и гелия. Попытки повторить эти эксперименты неизменно оканчивались провалом.

Недавно журнал "Нью Сайнтист" сообщил о малопонятном следствии такого эксперимента. Майкл МакКюбр из частной калифорнийской лаборатории "Эс-Ар-Ай Интернейшнал" повторил данный опыт и получил больше тепловой энергии, чем должно было дать примененное электричество. Он отослал электроды для анализа Брайану Кларку из канадского Университета им. МакМастера. Кларк нашел на них более 1015 атомов трития. При этом такое количество никак не может объяснить объем тепла, выделившегося в ходе эксперимента. У Кларка нет вразумительного объяснения происхождения трития. Сам МакКюбр считает, что "это может и не быть синтезом, но очевидно, что это определенный ядерный процесс". По мнению специалистов по атомной физике, тритий может оказаться результатом и простых электрохимических реакций.

Как бы то ни было, хотелось бы надеяться, что небольшие подвижки в исследованиях термоядерного синтеза выведут эту область физических исследований из "застоя" и мы окажемся свидетелями прогресса на пути к "эре неограниченной энергии". Пока что рано оценивать КПД термоядерных установок. Но некоторое представление об их огромной экономичности дает такой пример: в 40 литрах воды содержится примерно грамм дейтерия, способный дать энергию, получаемую сегодня от сжигания почти 10 тысяч литров бензина. Очевиден и экологический эффект перехода на термоядерную энергию и отказа от углеводородов и атомных станций.

Давненько физики всего мира не ждали с таким нетерпением очередного выпуска журнала Science так как ждали выпуска, который должен был выйти 8-марта 2002го года. Публикации в Science обычно предшествует заключение независимых экспертов, и допуск к печати приравнивается к официальному заявлению. И оно состоялось (R Taleyarkhan et al 2002 Science 295 1868).

Если подобные эксперименты, проведённые в других лабораториях и другими исследовательскими группами, подтвердят корректность сделанных вычислений, то открытие обречено как минимум на Нобелевскую премию, а человечество получит неиссякаемый источник чистой энергии, получение которой абсолютно безопасно для планеты. Если нет - то, увы, позор, прозябание первооткрывателей в нищете, алкоголизм непризнанных гениев, энергетический кризис в мире и прочие катаклизмы в планетарном масштабе. В общем, уж лучше б подтвердилось.

Итак: Учёные Рузи Талейархан из Ок-Риджской Национальной Лаборатории (Rusi Taleyarkhan of the Oak Ridge National Laboratory, Tennessee), Ричард Лейхи (Richard T. Lahey, Jr.) из Политехнического Университета им. Ренссилира (Rensselaer Polytechnic Institute) и академик РАН Роберт Нигматулин - зафиксировали в лабораторных условиях холодную термоядерную реакцию.

Группа использовала мензурку с жидким ацетоном, в котором атомы водорода были заменены атомами дейтерия (C₃D₆O), размером с два-три стакана (размеры "ядерного реактора" особенно шокируют, правда в иностранной прессе сравнение производится с кофейными чашками). Сквозь жидкость интенсивно пропускались звуковые волны, производя эффект, известный в физике как акустическая кавитация, следствием которой является сонолюминесценция (что-то наподобие "освещения, спровоцированного звуком").

Новшеством описываемых экспериментов было то, что пузырьки возникали на пути прохождения быстрых нейтронов (14.3 МэВ), а затем разрастались до достаточно больших размеров и схлопывались акустическим сигналом с частотой 19.3 Кгц.

Во время кавитации в жидкости появлялись маленькие пузыри, которые увеличивались до двух миллиметров в диаметре и взрывались. Взрывы сопровождались вспышками света и выделением энергии. Но - в чём, собственно, и фокус - температура внутри пузырьков в момент взрыва достигала 10 миллионов градусов по Кельвину (это сопоставимо с температурой ядра Солнца), а выделяемой энергии, по утверждению экспериментаторов, достаточно для осуществления термоядерного синтеза.

"Технически" суть реакции заключается в том, что в результате соединения двух атомов дейтерия образуется тритий (изотоп водорода) и нейтрон. Реакция характеризуется колоссальным количеством выделяемой энергии. При "сгорании" одного грамма протонов выделяется в двадцать миллионов раз больше энергии, чем при сгорании грамма каменного угля.

Естественно, говоря о выделении энергии и возможном осуществлении ядерного синтеза, учёные фактически заявляют, что ими был зафиксирован продукт реакции - тритий. Свои выводы ученые подкрепляют тем, что, помимо света, были зарегистрированы вылетающие из пузырьков нейтроны с энергией 2.5 МэВ - именно такой энергией должен обладать нейтрон, образующийся в результате реакции слияния двух атомов дейтерия. В проведенных экспериментах с обычным ацетоном ни трития, ни "вторичных" нейтронов обнаружено не было.

Так вот, именно на этом этапе первооткрывателей уже успели огорчить, сказав, что приборы ничего такого особенного не зафиксировали. В данном случае злыми гениями стали коллеги из той же лаборатории - Дэн Шапира (Dan Shapira) и Майкл Сальтмарш (Michael J. Saltmarsh), которые заявили: "Доказать, что пузырьки испускали нейтроны, не представляется возможным". В своей публикации они отмечают однопроцентный прирост числа отсчетов при настроенной на формирование пузырьков (кавитацию) установке по отношению к случаю, когда звуковой источник выключен, что может объясняться фоновыми явлениями. Не удалось также зарегистрировать нейтронов или гамма-квантов, испускавшихся вместе со световыми импульсами.

Авторы публикации, в свою очередь, заявили (повторный анализ), что их оппонентам просто не удалось должным образом откалибровать приборы.

Сет Путтерман (Seth Putterman), ведущий экспериментатор Лос-Анджелесского Калифорнийского университета (UCLA) по сонолюминесценции, обращает внимание на то, что Шапира и Солтмарш заявили о том, что соотношение "вход-выход" для нейтронных отсчетов составило 1000:1 на акустически чувствительном резонаторе установки. Такие данные, говорит он, можно было обработать так, чтобы получить четкий нейтронный спектр, чего в работе сделано не было. Кроме того, он подчеркивает, что ни в одном из известных ему опытов по сонолюминесценции не было зарегистрировано одиночных нейтронов, как результата процесса сонолюминесценции. "Это очень интересное, рискованное научное направление, исследования в котором должны продолжаться" - говорит Путтерман, - "однако опубликованные результаты могут оказаться настолько преждевременными или некорректными, что способны заранее запятнать все последующие попытки экспериментов в этой области".

На сегодняшний день известно несколько реплик по подводу открытия.

Лоренс Крам (Lawrence Crum), физик Лаборатории Прикладной физики при Вашингтонском Университете в Сиэтле (University of Washington in Seattle): "Задача матушки-природы в том и состоит, чтобы делать из учёных полных дураков

Нэт Фиш (Nat Fisch), физик, который руководит проектами по Физике Плазмы в Принстоне - там же, где разгоняют фотоны и, так, по мелочи, их же телепортируют (Princeton University's Graduate Program in Plasma Physics): "То, что я видел, производит впечатление безграмотного и неряшливого отчёта".

Один из ведущих специалистов-теоретиков по сонолюминесценции Уильям Мосс (William Moss) из Ливерморской национальной лаборатории сообщил, что достигаемые в этих экспериментах типичные температуры не должны превышать 11000 К. Для запуска же термоядерной реакции необходимо достичь условий, примерно соотвествующих ядру Солнца - свыше 10⁷К. Однако, как бы авторитетен ни был оппонент, следует отметить: физические процессы, протекающие в пузырьках при сонолюминесценции, изучены пока недостаточно. Это не позволяет пока с порога отметать подобные результаты.

Ричард Лейхи (один из экспериментаторов) на эти скептичные гримасы отвечает, что дело даже не в неподготовленности научного мира к открытию, а в том, что его подтверждение означает, что учёные, занимающиеся "горячим расщеплением", тратят миллиарды долларов на ветер.

Новая технология просто перевернёт или же встряхнёт все университеты и институты в связи с последующей переориентацией всей ядерной физики. А АЭС вообще будут закрывать, так как они устареют морально. Как каламбурят в прессе, "его кураж обескураживает, но его спровоцировало холодное отношение к холодному синтезу".

Не исключено, что финансовый фактор действительно играет не последнюю роль в этом назревающем конфликте. Только в 2001 году Министерство энергетики США потратило $248 миллионов на исследование термоядерного синтеза (естественно, не "холодного").

Откуда этот скепсис и что же, собственно, произошло?

"Холодный термоядерный синтез" пользуется у физиков той же репутацией, что и вечный двигатель, машина времени и прочие экспериментально недоказанные или недоказуемые, гипотетические приспособления, которые идут вразрез с законами физики и химии. Считается, что "холодный синтез" - это типичный пример голословного заявления, некорректного "грязного" эксперимента, глиняного колосса, на которого достаточно дунуть, чтобы не оставить камне на камне.

Репутация у "холодного синтеза" такая с 1989 года, когда подобное сегодняшнему заявление на поверку оказалось просто результатом неверных измерений и вычислений. Напомним, что толчком к развертыванию исследований по холодному ядерному синтезу (ХЯС) послужило интервью М. Флешмана и С. Понса (США) 23 марта 1989 г. газете "Financial Times", в котором они заявили, что возможно создание энергетического источника промышленных масштабов на основе слияния ядер тяжелого водорода при комнатной температуре

Тогда, в 1989 году, появилась надежда на получение колоссального количества энергии в простом приборе для электролиза воды: электроды были изготовлены из палладия, используемая вода была "тяжёлой". В ходе электролиза этой тяжёлой воды с помощью электродов из палладия ядра дейтерия, якобы, сливались, образуя изотопы трития и гелия.

Экспериментаторы, опять же якобы, однажды зафиксировали потоки нейтронов и добились выделения тепла, не предусмотренного законами электролиза. Всего за первые два года, прошедшие после опубликования статьи Флейшмана и Понса было опубликовано более двух тысяч экспериментальных и теоретических работ, в США выдано 96 заявок на патенты.

Ажиотаж возник благодаря двум подтверждениям из Техасского университета "Эй энд Эм" и Института технологических исследований штата Джорджия. Однако когда электрохимики из Техаса после пресс-конференции провели контрольные измерения не только с тяжелой, но и обыкновенной водой, выяснилось: повышенное выделение тепла было вызвано электролизом последней, поскольку термометр служил в качестве второго катода! В Джорджии же нейтронные счетчики оказались настолько чувствительными, что реагировали на тепло поднесенной руки. Так был зарегистрирован «выброс нейтронов».

Включившиеся в исследования высококвалифицированные ученые из ведущих физических центров ряда стран мира (только в России в проверке концепции ХЯС приняли участие РНЦ "Курчатовский институт", Объединенный институт ядерных исследований, арзамасский ВНИИЭФ, новосибирский ИЯФ СО РАН и др.) по истечении нескольких лет пришли к однозначному выводу о беспочвенности надежд на возможность создания подобного источника энергии. Обошлась эта проверка, как признавал тот же "Nature" в конце 1989 года, в 50 миллионов долларов. Тем не менее, работы по ХЯС продолжаются и сегодня.

По мнению академика А.Л. Бучаченко (Институт химической физики РАН), холодный ядерный синтез - на 99% авантюра, но тут есть и интрига: организовать разветвленную цепную реакцию (холодный термояд) нельзя, однако наблюдаемое явление, природа которого пока неясна, может быть интересно с точки зрения физики твердого тела.

Что же такое «холодный термояд» с физической точки зрения?

Под "холодным ядерным синтезом", который теперь предлагается заменить на термин "ядерные процессы, индуцированные кристаллической решеткой", понимаются аномальные с точки зрения вакуумных ядерных столкновений, стохастические низкотемпературные ядерные процессы (слияние ядер с выделением нейтронов), существующие в неравновесных твердых телах, которые стимулируются трансформацией упругой энергии в кристаллической решетке при фазовых переходах, механических воздействиях, сорбции или десорбции водорода (дейтерия). Другими словами, это аналог «горячей» термоядерной реакции (при которой происходит слияние ядер водорода и превращения их ядра гелия, с выделением колоссальной энергии), проходящий при комнатной температуре.

Холодный термоядерный синтез, точнее определять как химически индуцированные фотоядерные реакции. И хотя прямой холодный термоядерный синтез осуществить не удалось, тем не менее, он подсказал новые стратегии. Чтобы запустить термоядерную реакцию нужно генерировать нейтроны. Идея проста: механостимулированные химические реакции приводят к возбуждению глубоколежащих электронных оболочек и рождают рентгеновское или гамма-излучение, которое захватывается ядрами (фотоядерная реакция). Далее возбужденные таким образом ядра распадаются, генерируя нейтроны (и, возможно, гамма-кванты). Основная проблема в том, чтобы механическое воздействие возбуждало внутренние электроны оболочки, поскольку только в этом случае конверсия внешних электронов на внутренние вакансии будет генерировать жесткий рентген или гамма-кванты. Ясно, что наиболее вероятно это осуществить в условиях ударной волны (при взрыве обычной взрывчатки)!

К вопросу об исследовании плазмы с помощью видеоимпульсов (эксперимент)

В предшествующих работах автора был обоснован метод бесконтактной диагностики ионизированных сред с помощью импульсных сигналов с ограниченным спектром. Используя численное моделирование задачи о распространении таких сигналов сквозь однородную изотропную электронную плазму, была продемонстрирована возможность определения плотности электронов и частоты соударений по характерным искажениям импульсов, которые были вычислены для диапазона концентраций от 10⁷ до 10¹⁵ [ см^-3 ] и для отношений частоты соударений к плазменной в интервале от 0 до 10.

В настоящей работе представлены результаты физического эксперимента по наблюдению распространения импульсных сигналов сквозь плазму газового разряда. Для этого была сконструирована и изготовлена экспериментальная установка, основу которой составила несимметричная полосковая линия (волновод) длиной 2 м с воздушным заполнением. В диапазоне частот от 50 Мгц до 1250 Мгц ксв тракта не превышал 3. Внутри волновода располагалась газоразрядная трубка диаметром 20 мм и длиной 2 м, в которой возбуждался самостоятельный тлеющий разряд. На вход волновода подавались импульсы длительностью 200нс с фронтом 5нс и амплитудой 0.75 в. На выходе импульсы регистрировались с помощью осциллографа. На рис.1 приведены две совмещённые осциллограммы импульсов, прошедших волновод при отсутствии разряда и в случае наличия тлеющего разряда (отмечен стрелками). Влияние разряда (плазмы) приводит, во-первых, к искажению формы вершины импульса, во-вторых, к возникновению затягивания среза импульса. Кроме того, возникают осцилляции затухающего вида. На рис.2 представлены расчётные данные, наиболее близко моделирующие полученные экспериментальные сигналы. При этом оказалось, что расчётная концентрация электронов составляет 4.5x10⁷ см^-3 при отношении частоты соударений к плазменной частоте 0.01. При сравнении видна схожесть сигналов, однако следует учесть, что в экспериментальной установке плазма заполняет только весьма малую долю 0.06 от объема внутри волноводного пространства.

В результате влияние плазмы на распространение импульсов сильно ослабляется по сравнению с результатами численного анализа, при котором предполагалось заполнение всего волновода. Вместе с тем, расчёты для других значений параметров плазмы показывают, что изменение их на величину, не превышающую порядка, в ту или другую сторону, приводит к существенным различиям реального и моделирующего сигналов. Опуская иллюстрацию этого, позволим сделать вывод о достаточной избирательности предлагаемого метода определения параметров плазмы.